L’inizio di una rivoluzione: il microfono ottico

La ricerca nell’ambito delle tecnologie che mirano a massimizzare la fedeltà dei suoni riprodotti si è da sempre concentrata sull’anello finale, ovvero gli altoparlanti, cercando – tra l’altro – di ridurne progressivamente la massa in modo da permettere accelerazioni sempre più elevate, con conseguente più estesa risposta in frequenza e migliore risposta ai transienti. Seppur rari e costosi, gli altoparlanti totalmente privi di massa esistono e sono anche commercializzati (v. ad esempio AUDIOreview 363). Quello che fino ad oggi non esisteva era invece l’analogo trasduttore collocato all’estremità opposta della catena audio, ovvero il microfono “massless”, ma grazie ad una start-up austriaca, la XARION Laser Acoustics fondata 4 anni or sono come spin-off dell’Università della Tecnologia di Vienna, questo gap è stato finalmente colmato.

I microfoni sviluppati fino ad oggi prevedono tutti un elemento mobile sospeso elasticamente e mosso dall’aria con la pressione sonora. Questo elemento può essere anche molto leggero, e la sua escursione può anche essere molto lineare, ma come qualsiasi altro sistema meccanico massa-molla presenta risonanze di differente origine che ne determinano irregolarità e limiti di estensione verso le alte frequenze, nonché forme di distorsione lineare e non-lineare. Ad oggi i microfoni da laboratorio di normale reperibilità non superano i 150 kHz di banda, quelli da studio di rado eccedono i 50 kHz, e tutti presentano distorsioni non-lineari, seppur contenute e concentrate a livelli di pressione sonora decisamente elevati.

Il trasduttore ideato dalla XARION non soffre di queste limitazioni, converte linearmente le variazioni di pressione in un segnale di altra natura, non soffre di inerzia e in aria risponde fino ad 1 megahertz, limite che peraltro non è nemmeno suo bensì della stessa aria, il cui assorbimento ad 1 MHz è tale da estinguere quasi del tutto l’oscillazione in meno di un metro (ben diverso è il discorso nei liquidi, ove la banda può arrivare addirittura a 50 MHz).

Il suo principio di funzionamento, rappresentato nella figura che riportiamo, si basa sull’impiego di un calibratore di Fabry-Perot, ovvero su un interferometro ottico, largo pochi millimetri ed illuminato da un diodo laser da 1 milliwatt che emette nell’infrarosso a 1550 nanometri (un po’ più in basso in frequenza dei normali diodi laser usati nei CD player).

Il raggio viene inviato mediante una fibra ottica, attraversa parzialmente il primo specchio, viene parzialmente riflesso dal secondo e di nuovo parzialmente deviato verso il sensore. La pressione acustica altera debolmente l’indice di rifrazione del mezzo interposto, per cui, tra andata e ritorno, la luce laser viene del pari modulata in intensità. Per avere un’idea delle grandezze in gioco, l’indice di rifrazione dell’aria cambia di appena 3 miliardesimi per variazioni di pressione di un pascal.

Un pascal equivale a sua volta ad una variazione di circa una parte su centomila della pressione atmosferica, ed in termini di pressione sonora equivale a 94 dB SPL, ovvero ad un suono di intensità già notevole. Per essere utilizzabile, il sistema di rivelazione deve quindi essere sensibile a variazioni dell’indice di rifrazione molto più piccole di un miliardesimo, ed in effetti i ricercatori austriaci sono riusciti a discernere variazioni dell’ordine di 10-14 (un centesimo di millesimo di miliardesimo…), dello stesso ordine di grandezza del rumore quantistico e molto inferiori alla soglia di udibilità umana.

Purtroppo, almeno per il momento, non è previsto l’impiego di questa tecnologia per applicazioni audio ed in particolare per realizzare microfoni da studio di registrazione. Il range dinamico di una singola unità finora ottenuto è di 100 decibel, ovvero relativamente piccolo, e copre un range di pressione sonora che va da 30 a 180 dB SPL mediante modelli differenti, che verranno progressivamente commercializzati.

Il primo di questi è il modello Eta100, con banda utile selezionabile tra 5 e 100.000 Hz oppure tra 10.000 e 1.000.000 di Hz. Nondimeno, questo trasduttore apre già ora un nuovo capitolo nell’audio di qualità perché permetterà di qualificare esattamente la distorsione dei microfoni di misura. questo proposito basti ricordare una espressione che ricorre regolarmente nei datasheet della celeberrima Brüel & Kjær, e che abbiamo discusso specificamente in AUDIOreview 370 a proposito della distorsione delle capsule a condensatore: “Distortion measurement methods for frequencies higher than 5 kHz are not available”.
Fabrizio Montanucci